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第8章 编写健壮的应用程序

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2023-12-01

第7章讲解了Erlang的错误处理机制。这一章我们来看看怎样使用这些机制来构建健壮、容错的系统。

防范错误数据

回想一下在第??章（程序??.5）中描述的那个用来分析电话号码的服务程序。它的主循环包含了以下代码：

server(AnalTable) ->
    receive
        {From, {analyse,Seq}} ->
            Result = lookup(Seq, AnalTable),
            From ! {number_analyser, Result},
            server(AnalTable);
        {From, {add_number, Seq, Key}} ->
            From ! {number_analyser, ack},
            server(insert(Seq, Key, AnalTable))
        end.

以上的Seq是一个表示电话号码的数字序列，如[5,2,4,8,9]。在编写lookup/2和insert/3这两个函数时，我们应检查Seq是否是一个电话拨号按键字符[1]的列表。若不做这个检查，假设Seq是一个原子项hello，就会导致运行时错误。一个简单些的做法是将lookup/2和insert/3放在一个catch语句的作用域中求值：

server(AnalTable) ->
    receive
            {From, {analyse,Seq}} ->
                case catch lookup(Seq, AnalTable) of
                        {'EXIT', _} ->
                            From ! {number_analyser, error};
                        Result ->
                            From ! {number_analyser, Result}
                    end,
                    server(AnalTable);
            {From, {add_number, Seq, Key}} ->
                From ! {number_analyser, ack},
                    case catch insert(Seq, Key, AnalTable) of
                        {'EXIT', _} ->
                            From ! {number_analyser, error},
                                server(AnalTable); % Table not changed
                        NewTable ->
                            server(NewTable)
                    end
        end.

注意，借助catch我们的号码分析函数可以只处理正常情况，而让Erlang的错误处理机制去处理badmatch、badarg、function_clause等错误。

一般来说，设计服务器时应注意即使面对错误的输入数据，服务器也不会“崩溃”。很多情况下发送给服务器的数据都来自服务器的访问函数。在上面的例子中，号码分析服务器获悉的客户端进程标识From是从访问函数获得的，例如：

lookup(Seq) ->
    number_analyser ! {self(), {analyse,Seq}},
    receive
        {number_analyser, Result} ->
            Result
    end.

服务器不需要检查From是否是一个进程标识。在这个案例中，我们（借助访问函数）来防范意外的错误情况。然而恶意程序仍然可以绕过访问函数，向服务器发送恶意数据致使服务器崩溃：

number_analyser ! {55, [1,2,3]}

这样一来号码分析器将试图向进程55发送分析结果，继而崩溃。

健壮的服务进程

讲解可靠服务进程设计的最好方法就是借助实例。

第??章（程序??.6）给出了一个资源分配器。对于这个分配器，如果一个资源被分配给了进程，而这个进程在释放资源之前终止（无论是出于意外还是正常终止），那么这个资源就无法被收回。这个问题可以通过以下的方法来解决：

  • 令服务程序捕捉EXIT信号（process_flag(trap_exit, true)）。
  • 在分配器和申请资源的进程之间建立连接。
  • 处理由这些进程发出的EXIT信号。

正如图 8.1 所示。

/wp-content/uploads/erlang-otp/8.1.png

图8.1 健壮的分配器进程和客户进程

分配器的访问函数不变。通过以下方式启动分配器：

start_server(Resources) ->
    process_flag(trap_exit, true),
        server(Resources, []).

为了接收EXIT信号，我们将 “服务器” 循环改为：

server(Free, Allocated) ->
    receive
            {From,alloc} ->
                allocate(Free, Allocated, From);
            {From,{free,R}} ->
                free(Free, Allocated, From, R);
            {'EXIT', From, _ } ->
                check(Free, Allocated, From)
        end.

为了跟申请资源（如果还有资源可用）的进程建立连接，还需要修改allocate/3 。

allocate([R|Free], Allocated, From) ->
        link(From),
        From ! {resource_alloc,{yes,R}},
        server(Free, [{R,From}|Allocated]);
allocate([], Allocated, From) ->
        From ! {resource_alloc,no},
        server([], Allocated).

free/4更复杂些：

free(Free, Allocated, From, R) ->
    case lists:member({R, From}, Allocated) of
            true ->
                From ! {resource_alloc, yes},
                    Allocated1 = lists:delete({R, From}, Allocated),
                    case lists:keysearch(From, 2, Allocated1) of
                        false ->
                            unlink(From);
                        _ ->
                            true
                    end,
                    server([R|Free], Allocated1);
            false ->
                From ! {resource_alloc, error},
                server(Free, Allocated)
        end.

首先我们检查将要被释放的资源，的确是分配给想要释放资源的这个进程的。如果是的话，lists:member({R, From}, Allocated)返回true。我们像之前那样建立一个新的链表来存放被分配出去的资源。我们不能只是简单的unlink From，而必须首先检查Form是否持有其他资源。如果keysearch(From, 2, Allocated1)（见附录??）返回了false，From就没有持有其他资源，这样我们就可以unlink From了。

如果一个我们与之建立了link关系的进程终止了，服务程序将会收到一个EXIT信号，然后我们调用Check(Free, Allocated, From)函数。

check(Free, Allocated, From) ->
    case lists:keysearch(From, 2, Allocated) of
        false ->
            server(Free, Allocated);
        {value, {R, From}} ->
            check([R|Free],
            lists:delete({R, From}, Allocated), From)
    end.

如果lists:keysearch(From, 2, Allocated)返回了false，我们就没有给这个进程分配过资源。如果返回了{value, {R, From}}，我们就能知道资源R被分配给了这个进程，然后我们必须在继续检查该程序是否还持有其他资源之前，将这个资源添加到未分配资源列表，并且将他从已分配资源列表里删除。注意这种情况下我们不需要手动的与该进程解除连接，因为当它终止的时候，连接就已经解除了。

释放一个没有被分配出去的资源是可能一个严重的错误。我们应当修改程序??.6中的free/1函数，以便杀死试图这样干的程序：[2]。

free(Resource) ->
    resource_alloc ! {self(),{free,Resource}},
        receive
            {resource_alloc, error} ->
                exit(bad_allocation); % exit added here
            {resource_alloc, Reply} ->
                Reply
        end.

用这种方法杀死的程序，如果它还持有其他资源，同时还与服务程序保持着连接，那么服务程序因此将收到一个EXIT信号，如上面所述，处理这个信号的结果会是资源被释放。

以上内容说明了这么几点：

  • 通过设计这样一种服务程序接口，使得客户端通过访问函数（这里是allocate/0和free/1）访问服务程序，并且防止了危险的“幕后操作”。客户端和服务程序之间的连接对用户来说是透明的。特别是客户端不需要知道服务程序的进程ID，因此也就不能干涉它的运行。
  • 一个服务程序如果捕获EXIT信号，并且和它的客户端建立连接以便能监视它的话，就可以在客户端进程死亡的时候采取适当的处理行为。

分离计算部分

在一些程序里，我们可能希望将计算部分完全隔离出来，以免影响其它程序。Erlang shell就是这样一个东西。第??章那个简单的shell是有缺陷的。在它里面运行的一个表达式可能通过这几种方式影响到进程：

  • 它可以发送进程标示符给其他进程（self/0），然后就可以与这个进程建立连接，给它发送消息。
  • 它可以注册或注销一个进程

程序8.1用另外一种方法实现了一个shell：

程序8.1

-module(c_shell).
-export([start/0, eval/2]).
start() ->
    process_flag(trap_exit, true),
    go().
go() ->
    eval(io:parse_exprs('-> ')),
    go().
eval({form, Exprs}) ->
    Id = spawn_link(c_shell, eval, [self(), Exprs]),
    receive
        {value, Res, _} ->
        io:format("Result: ~w~n", [Res]),
            receive
            {'EXIT', Id, _ } ->
                true
        end;
    {'EXIT', Id, Reason} ->
        io:format("Error: ~w!~n", [Reason])
    end;
eval(_) ->
    io:format("Syntax Error!~n", []).
eval(Id, Exprs) ->
    Id ! eval:exprs(Exprs, []).

shell进程捕获EXIT信号。命令在一个与shell进程连接的单独的进程（spawn_link(c_shell, eval, [self(), Exprs])）中运行。尽管事实上我们把shell进程的进程ID给了c_shell:eval/2，但是因为对于作为实际执行者的eval:exprs/2函数，并没有给它任何参数，因此也就不会对造成影响。

保持进程存活

一些进程可能对系统来说是非常重要的。例如，在一个常规的分时系统里，常常每一个终端连接都由一个负责输入输出的进程来服务。如果这个进程终止了，终端也就不可用了。程序8.2通过重启终止的进程来保持进程存活。

这个注册为keep_alive的服务程序保有一个由{Id, Mod, Func, Args}模式元组构成的列表，这个列表包含了所有正在运行的进程的标识符、模块、函数和参数。 它使用BIF spawn_link/3启动这些进程，因此它也和每一个进程建立连接。然后这个服务程序就开始捕获EXIT信号，当一个进程终止了，它就会收到一个EXIT信号。在搜索了那个由元组构成的列表之后，它就能重启这个进程。

不过程序8.2当然也需要改进。如果从进程列表里移除一个进程是不可能的话，那么当我们试图用一个并不存在的module:function/arity来创建进程，程序就会进入死循环。建立一个没有这些缺陷的程序，就作为练习留给读者来完成。

讨论

当进程收到了一个“原因”不是normal的信号，默认行为是终止自己，并通知与它相连接的进程（见第??节）。通过使用连接和捕捉EXIT信号建立一个分层的系统是不难的。在这个系统最顶层的进程（应用进程）并不捕获EXIT信号。具有依赖关系的进程相互连接。底层进程（操作系统进程）捕获EXIT并且和需要监视的应用进程（见图8.2）建立连接。使用这种操作系统结构的例子是交换机服务器和电话应用程序，将在第??章讲述，第??章是它们的文件系统。

一个因为EXIT信号导致异常的应用进程，将会把信号发送给所有跟它处在通一进程集内的进程，因此整个进程集都会被杀死。连接到该进程集内应用程序的操作系统进程也会收到EXIT信号，并且会做一些清理工作，也可能重启进程集。

程序 8.2

loop(Processes) ->
    receive
        {From, {new_proc, Mod, Func, Args}} ->
            Id = spawn_link(Mod, Func, Args),
            From ! {keep_alive, started},
            loop([{Id, Mod, Func, Args}|Processes]);
        {'EXIT', Id, _} ->
            case lists:keysearch(Id, 1, Processes) of
                false ->
                    loop(Processes);
                {value, {Id, Mod, Func, Args}} ->
                    P = lists:delete({Id,Mod,Func,Args},
                    Processes),
                    Id1 = spawn_link(Mod, Func, Args),
                    loop([{Id1, Mod, Func, Args} | P])
            end
    end.
new_process(Mod, Func, Args) ->
    keep_alive ! {self(), {new_proc, Mod, Func, Args}},
    receive
        {keep_alive, started} ->
        true
    end.
/wp-content/uploads/erlang-otp/8.2.png

图8.2 操作系统和应用程序进程

脚注

[1]即数字0到9和*以及#。
[2]这可能是一个好的编程练习，因为它将强制程序的编写者更正这些错误。
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